激光消融，打造可变形微超级电容！

2024-05-30 10:28

近日，韩国工业技术研究院与浦项科技大学（POSTECH）的研究团队成功利用激光烧结图案技术，创制出了一种可变形微超级电容（MSCs），专为软电子设备提供能量存储解决方案。

这一突破，满足了新兴健康监测及其他应用中可拉伸设备对高效储能系统的迫切需求。

MSC提供可定制的形状因素、可靠的性能、有效的空间利用和易于与电子元件集成，使它们成为满足这一需求的有力竞争者。然而，通常用于在MSCs中收集电流的固体金属（如黄金），具有有限的拉伸能力，限制了变形潜力。

为了制造一种能够弯曲和拉伸而不破坏或失去功能的可变形微超级电容（MSCs），研究人员选择了一种液态金属——共晶镓铟合金（EGaIn）作为电流收集器。EGaIn因其高导电性和液态特性而极易变形。然而，如何利用EGaIn制造高密度数字间模式，以确保高能存储性能，成为了一个技术挑战。

高度可变形的微超级电容（MSC），是基于液态金属电流收集器。研究人员巧妙地运用了激光消融技术，在微超级电容（MSC）中实现了高容量与灵活性的完美结合。他们选择石墨烯作为电极材料，以聚苯乙烯块聚（乙烯共丁烯）块聚苯乙烯共聚物（SEBS）作为柔性基板材料。通过刷法在SEBS基板上均匀铺设EGaIn薄膜，并在其上覆盖石墨烯，最终利用激光消融技术打造出数字化的石墨烯-EGaIn电极。

在优化激光消融过程中，研究人员确保了石墨烯和EGaIn的完全消融而不损害SEBS基板。由于石墨烯和EGaIn薄膜能够吸收355 nm波长的激光光，而SEBS材料则不吸收任何光，因此团队成功实现了在不牺牲SEBS基板灵活性的前提下，对石墨烯-EGaIn电极进行选择性消融。

通过精细控制相邻数字间电极与石墨烯质量电荷之间的间隙，研究人员实现了高达1336μF cm-2的区域电容，并展现出可靠的速率性能。更令人瞩目的是，这些MSCs在不影响能量存储性能的前提下，可承受高达1000次的拉伸与收缩。

为验证MSC作为可变形电源的实用性，研究人员构建了一个由集成LED的串行和并联MSC阵列组成的软电子系统。该系统凭借EGaIn电流收集器的液态特性与SEBS基板的灵活性，在各种机械变形（如折叠、拉伸、扭曲等）下均能稳定运行，充分展示了其强大的能量存储性能。

激光技术在此项研究中发挥了关键作用，使液态金属得以高效应用于MSC的电流收集器。研究人员Chanwoo Yang表示：“激光技术不仅保证了工作的精确性，还加速了整个制造过程。”

此外，激光消融技术还适用于多种电极材料的模式化，包括碳材料、金属氧化物和Mxene等，为可变形、高性能能量存储系统的开发提供了广阔的前景。

随着微电子和光电子技术的飞速发展，从折叠、滚动设备到电子纺织品、医疗保健等应用领域的拉伸设备，小型化、弹性化的能量存储设备变得至关重要。而这项基于激光消融技术创造的可变形MSC研究，无疑将为弹性能量存储设备的开发与商业化提供有力支持，并在多个工业领域展现出巨大的应用价值。